CN113579261B - 增材构件成形过程形貌采集与控制装置及方法 - Google Patents

增材构件成形过程形貌采集与控制装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种增材构件成形过程形貌采集与控制装置及方法，该装置中的传感器纵向直线轨道部分铰接连接传感器横向直线轨道部分，并通过支撑杆铰接支撑；传感器横向直线轨道部分中的滚珠丝杠连接伺服电机，并通过滚珠丝杠移动滑板及连接支架固定连接形貌采集装置，形貌采集装置由伺服电机驱动进行横向直线移动，实现形貌采集装置实时到达指定位置测量增材制造加工外轮廓信息，并将测得增材制造加工外轮廓信息传送到增材制造加工系统，增材制造加工系统可根据测得的外轮廓信息及时调整激光加工参数，并根据激光加工工艺参数实时控制并调整形貌采集与控制装置的测量位置，有效实现增材制造加工过程的高精度一体化测量及实时反馈。

Description

增材构件成形过程形貌采集与控制装置及方法
技术领域
本发明涉及一种可实现实时测量以调整加工参数的激光光学头系统，尤其是一种增材构件成形过程形貌采集与控制方法与装置。
背景技术
金属增材制造在精密制造、航空航天、海洋船舶等诸多领域有着广泛的应用。增材制造由于热应力、组织应力和凝固收缩应力等多种类型复杂应力的累加和耦合，导致制造过程中成形构件易变形、甚至开裂，需要一种能够完成加工测量一体化的设备，来实时检测并且量化数据，从而调整工艺参数达到更高的加工精度。
目前的激光加工头应用于飞机的增材制造的零件中，部分的综合性能已经达到了钛合金锻件的水平；国外有德国EOS、美国3D公司等进行研发制造，增材制造设备加工出来的零件性能已经可以同锻件相当，但都没有进行实时测量加工精度的产品，无法实现加工测量一体化。
增材制造过程中由于热应力、组织应力和凝固收缩应力等多种类型复杂应力的累加和耦合，导致成形构件易变形、甚至开裂，为提升金属增材制造制件的质量，需要一种以基于三角测量法的形貌采集装置为检测设备，用于金属直接沉积的加工-测量一体化激光光学头，实时检测已加工平面数据，来调整各输出参数以达到更高的加工精度，实现加工-测量一体化。
发明内容
本发明是要提供一种增材构件成形过程形貌采集与控制装置及方法，用于金属直接沉积的加工-测量一体化激光光学头，实时检测已加工平面数据，来调整各输出参数以达到更高的加工精度，实现加工-测量一体化。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种增材构件成形过程形貌采集与控制装置，包括激光加工头部分、激光加工喷嘴部分、形貌采集装置、传感器纵向直线轨道部分、传感器横向直线轨道部分，所述激光加工头部分、激光加工喷嘴部分分别安装在辅助连接壳体两端，所述辅助连接壳体通过主体连接块固定连接传感器纵向直线轨道部分，所述传感器纵向直线轨道部分铰接连接传感器横向直线轨道部分，并通过支撑杆铰接支撑；所述传感器横向直线轨道部分中的滚珠丝杠连接伺服电机，并通过滚珠丝杠移动滑板及连接支架固定连接形貌采集装置，所述形貌采集装置由伺服电机驱动进行横向直线移动，实现形貌采集装置实时到达指定位置测量增材制造加工外轮廓信息，并将测得增材制造加工外轮廓信息传送到增材制造加工系统，增材制造加工系统可根据测得的外轮廓信息及时调整激光加工参数，并根据激光加工工艺参数实时控制并调整形貌采集与控制装置的测量位置，有效实现增材制造加工过程的高精度一体化测量及实时反馈。
进一步，所述传感器纵向直线轨道部分中的纵向滑动导轨通过紧固件与主体连接块固定连接。
进一步，所述纵向滑动导轨通过滑动铰链连接板调整活动铰链的位置，使传感器横向直线轨道部分中的横向直线滑动轨道绕活动铰链进行角位移旋转，角位移行程达10度，精度达0.1度，调整后用螺母进行锁死固定。
进一步，所述纵向滑动轨道上设有横向直线滑动轨道的角位移刻度。
进一步，所述纵向滑动导轨通过上、下支撑杆支撑连接横向直线滑动轨道，其中，上支撑杆通过小活动铰链及旋钮固定块与滚珠丝杠上的支撑杆活动上导轨连接，使上支撑杆在旋转时另一端在支撑杆活动上导轨上进行横向距离的滑动，位置调整之后通过旋钮固定块进行固定锁死。
进一步，所述横向直线滑动轨道中滚珠丝杠与电机法兰固定连接，再与衔接法兰固定连接以保证横向直线运动轨道稳定，所述滚珠丝杠移动滑板通过连接滑板支架及轴向定位杆与传感器防尘罩壳体固定连接，保证安装在传感器防尘罩壳体内的形貌采集装置跟随滚珠丝杠移动滑板做相对于滚珠丝杠的直线运动。
进一步，所述形貌采集装置采用三角测量法测量增材制造加工外轮廓，并由防尘罩包裹保护，通过伺服电机进行横向直线移动，运动速度为0.2米每秒。
进一步，所述激光加工头部分中的反射镜模块为双连杆控制的双自由度机构，分别进行粗略调整和精确调整反射镜角度。
一种增材构件成形过程形貌采集与控制方法，采用上述的增材构件成形过程形貌采集与控制装置，首先，将所要制造的模型数据导入增材制造加工系统，通过滑动铰链连接板根据纵向滑动轨道上的刻度进行角位移定位并锁死，使形貌采集装置保持水平的状态；开始激光熔覆，激光加工头开始工作，同时形貌采集装置跟随激光加工头一起移动进行实时采集，采集过程中，控制装置通过横向滚珠丝杠实时调整采集位置，当前层熔覆完成之后，进入下一层熔覆之时，增材制造加工根据形貌采集装置采集的数据处理得到下一层的各熔覆数据，如此迭代，每一层熔覆之前，控制装置都会接收到上一层形貌数据处理得到的加工参数，以实时调整熔覆加工各参数。
进一步，所述形貌采集装置采集到的形貌数据传送到上位机，在上位机的人机交互界面实时显示，同时显示当前以及下一层熔覆的激光加工参数,以及当前和下一层的形貌采集装置的测量位置信息。
本发明的有益效果是：
本发明通过纵向直线位移导轨调整活动铰链的位置，用螺母进行锁死固定，使横向导轨绕活动铰链进行角位移旋转，角位移行程达10度，读数精度达0.1度，可使激光加工头在倾斜一定角度加工后，横向直线导轨仍可与基板平行，形貌采集装置可保持同一纵向高度进行运动，使测量范围始终在形貌采集装置量程中；横向直线位移轨道采用丝杠系统运动，连接件上的活动铰链固定连接法兰、电机法兰和滚珠丝杠，通过纵向上下两连杆进行悬臂支撑横向直线位移轨道；滚珠丝杠通过连接支架与形貌采集装置固定连接，形貌采集装置由防尘罩包裹，通过伺服电机进行横向直线移动，运动速度为0.2米每秒，实现轮廓仪实时到达指定位置测量；解决了无法实时测量的问题，实现在金属增材制造中的测量加工一体化。
附图说明
图1是面向激光增材制造的光学头结构设计的结构主视图；
图2是面向激光增材制造的光学头结构设计的俯视图；
图3是面向激光增材制造的光学头结构设计的右视图；
图4是反射镜模块正视图；
图5是形貌采集装置安装剖视图；
图中：1.上激光转向壳体、2.下激光转向壳体、3.聚焦透镜壳体、4.上传感器支架壳体、5.主体连接块、6.纵向滑动轨道、7.碳钢螺钉、8.低碳钢螺栓、9.碳钢螺母、10.低碳钢螺栓、11.上支撑杆、12.小活动铰链、13.旋钮固定块、14.支撑杆活动上导轨、15.滚珠丝杠、16.滚珠丝杠移动滑板、17.碳钢螺钉、18.连接滑板支架、19.轴向定位杆、20.传感器防尘罩盖板、21.联轴器、22.电机法兰、23.下支撑杆、24.低碳钢螺栓、25.辅助连接壳体、26.碳钢螺钉、27.下传感器支架壳体、28.激光喷嘴上端、29.激光喷嘴下端、30.碳钢螺母、31.低碳钢螺栓、32.聚焦透镜内调整环、33.碳钢螺母、34.衔接法兰、35.滚珠丝杠电机、36.滚珠丝杠限位器、37.T型螺栓、38.碳钢螺母、39.碳钢螺钉、40.垫圈螺母、41.反射镜夹板、42.反射镜托盘、43.纵向操作杆、44.弧向操纵杆、45.底边连接块、46.限位螺母、47.角落旋转杆、48.形貌采集装置、49.滤光片、50.铰链连接板、51.滑动铰链连接板、52.传感器防尘罩壳体。
具体实施方式
在本实施例中提供了一种增材构件成形过程形貌采集与控制方法与装置，该装置用于实现在激光增材制造过程中实时测量加工数据，从而调整各加工输出参数，提高零件加工精度与质量，实现测量加工一体化。
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
如图1至图5所示，一种增材构件成形过程形貌采集与控制装置，包括：激光加工头部分、激光加工喷嘴部分、形貌采集装置、传感器纵向直线轨道部分(Y向)、传感器横向直线轨道部分(X向)。
传感器纵向直线轨道部分(Y向)中的纵向滑动导轨6通过碳钢螺钉7与主体连接块5固定连接，传感器横向直线轨道部分(X向)的前端通过低碳钢螺栓24与纵向滑动导轨6铰接。两个小活动铰链12一端分别通过低碳钢螺栓8与碳钢螺母9与纵向滑动轨道6固定连接，另一端分别与上支撑杆11、下支撑杆23一端铰接；上支撑杆11另一端通过小活动铰链12及旋钮固定块13与滚珠丝杠15上的支撑杆活动上导轨14连接，下支撑杆23另一端通过小活动铰链12和联轴器21与滚珠丝杠15连接，由于上支撑杆11在进行旋转时另一端相对于滚珠丝杠15有横向位移，在支撑杆活动上导轨14上进行横向距离的滑动，位置调整之后通过旋钮固定块13进行固定锁死。
传感器横向直线轨道部分(X向)中的横向直线滑动轨道中滚珠丝杠15与电机法兰22固定连接，再与衔接法兰34固定连接以保证横向直线运动轨道稳定，滚珠丝杠移动滑板16通过碳钢螺钉17与连接滑板支架18固定连接，下方与传感器防尘罩壳体52通过轴向定位杆19进行固定连接，保证安装在传感器防尘罩壳体52内的形貌采集装置48跟随滚珠丝杠移动滑板16做相对于滚珠丝杠15的直线运动。
滑动铰链连接板51根据纵向滑动轨道6上的刻度进行角位移定位并锁死，各活动铰链可通过相应的螺栓螺母进行旋转固定。
如图1，3所示，激光加工头部分中的聚焦透镜模块包括聚焦透镜壳体3、聚焦透镜内调整环32、碳钢螺钉39和垫圈螺母40。聚焦透镜内调整环32与聚焦透镜壳体3间隙配合，同光外侧碳钢螺钉39的突出段进行纵向直线位移的调整，到达要求位置后通过垫圈螺母40进行锁死固定。
如图4所示，激光加工头部分中的反射镜模块包括反射镜夹板41、反射镜托盘42、纵向操纵杆43、弧向操纵杆44、底边连接块45、限位螺母46、角落旋转杆47、上激光转向壳体1和下激光转向壳体2。反射镜托盘42通过夹扣与反射镜夹板41连接固定，纵向操纵杆43与反射镜夹板41通过限位螺母46间隙配合连接，弧向操纵杆44与底边连接块45间隙配合连接，角落旋转杆47通过限位螺母46与底边连接块45间隙配合连接；可利用弧向操纵杆44进行反射镜角度的粗略调整，在角度粗略调整后通过螺母进行锁死，再通过纵向操纵杆43进行精确角度调整，调整之后通过螺母进行锁死。
如图1所示，激光加工喷嘴部分包括下传感器支架壳体27、激光喷嘴上端28、激光喷嘴下端29、碳钢螺母30、低碳钢螺栓31。下传感器支架壳体27通过碳钢螺钉26与辅助连接壳体25固定连接，下传感器支架壳体27下面固定连接激光喷嘴上端28和激光喷嘴下端29。激光喷嘴上端28与激光喷嘴下端29之间用碳钢螺母30、低碳钢螺栓31固定。
一种增材构件成形过程形貌采集与控制方法，采用上述的增材构件成形过程形貌采集与控制装置，首先，将所要制造的模型数据导入制造系统，通过滑动铰链连接板51根据纵向滑动轨道6上的刻度进行角位移定位并锁死，使形貌采集装置48保持水平的状态。开始激光熔覆，激光加工头开始工作，同时形貌采集装置48跟随激光加工头一起移动，并进行实时采集，采集过程中，控制装置通过横向滚珠丝杠15实时调整采集位置，以得到最佳效果，采集到的形貌数据在上位机的人机交互界面实时显示，同时也会显示当前以及下一层熔覆的激光加工参数,以及当前和下一层的形貌采集装置48的测量位置信息。
当前层熔覆完成之后，当进入下一层熔覆之时，系统已经根据形貌采集装置48得到数据处理得到下一层的各熔覆数据，如此迭代，每一层熔覆之前，控制系统都会接收到上一层形貌数据处理得到的加工参数，以实时调整熔覆加工各参数。
以上所述实施例仅是为充分说明本申请而所举的较佳的实施例，本申请的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本申请基础上所作的等同替代或变换，均在本申请的保护范围之内。本申请的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种增材构件成形过程形貌采集与控制装置，包括激光加工头部分、激光加工喷嘴部分、形貌采集装置、传感器纵向直线轨道部分、传感器横向直线轨道部分，其特征在于：所述激光加工头部分、激光加工喷嘴部分分别安装在辅助连接壳体两端，所述辅助连接壳体通过主体连接块固定连接传感器纵向直线轨道部分，所述传感器纵向直线轨道部分铰接连接传感器横向直线轨道部分，并通过支撑杆铰接支撑；所述传感器横向直线轨道部分中的滚珠丝杠连接伺服电机，并通过滚珠丝杠移动滑板及连接支架固定连接形貌采集装置，所述形貌采集装置由伺服电机驱动进行横向直线移动，实现形貌采集装置实时到达指定位置测量增材制造加工外轮廓信息，并将测得增材制造加工外轮廓信息传送到增材制造加工系统，增材制造加工系统可根据测得的外轮廓信息及时调整激光加工参数，并根据激光加工工艺参数实时控制并调整形貌采集与控制装置的测量位置，有效实现增材制造加工过程的高精度一体化测量及实时反馈。
2.根据权利要求1所述的增材构件成形过程形貌采集与控制装置，其特征在于：所述传感器纵向直线轨道部分中的纵向滑动轨道通过紧固件与主体连接块固定连接。
3.根据权利要求2所述的增材构件成形过程形貌采集与控制装置，其特征在于：所述纵向滑动轨道通过滑动铰链连接板调整活动铰链的位置，使传感器横向直线轨道部分中的横向直线滑动轨道绕活动铰链进行角位移旋转，角位移行程达10度，精度达0.1度，调整后用螺母进行锁死固定。
4.根据权利要求3所述的增材构件成形过程形貌采集与控制装置，其特征在于：所述纵向滑动轨道上设有横向直线滑动轨道的角位移刻度。
5.根据权利要求2所述的增材构件成形过程形貌采集与控制装置，其特征在于：所述纵向滑动轨道通过上、下支撑杆支撑连接横向直线滑动轨道，其中，上支撑杆通过小活动铰链及旋钮固定块与滚珠丝杠上的支撑杆活动上导轨连接，使上支撑杆在旋转时另一端在支撑杆活动上导轨上进行横向距离的滑动，位置调整之后通过旋钮固定块进行固定锁死。
6.根据权利要求1所述的增材构件成形过程形貌采集与控制装置，其特征在于：所述横向直线滑动轨道中的滚珠丝杠与电机法兰固定连接，再与衔接法兰固定连接以保证横向直线运动轨道稳定，所述滚珠丝杠移动滑板通过连接滑板支架及轴向定位杆与传感器防尘罩壳体固定连接，保证安装在传感器防尘罩壳体内的形貌采集装置跟随滚珠丝杠移动滑板做相对于滚珠丝杠的直线运动。
7.根据权利要求1所述的增材构件成形过程形貌采集与控制装置，其特征在于：所述形貌采集装置采用三角测量法测量增材制造加工外轮廓，并由防尘罩包裹保护，通过伺服电机进行横向直线移动，运动速度为0.2米每秒。
8.根据权利要求1所述的增材构件成形过程形貌采集与控制装置，其特征在于：所述激光加工头部分中的反射镜模块为双连杆控制的双自由度机构，分别进行粗略调整和精确调整反射镜角度。
9.一种增材构件成形过程形貌采集与控制方法，采用权利要求1-8任一所述的增材构件成形过程形貌采集与控制装置，其特征在于：首先，将所要制造的模型数据导入增材制造加工系统，通过滑动铰链连接板根据纵向滑动轨道上的刻度进行角位移定位并锁死，使形貌采集装置保持水平的状态；开始激光熔覆，激光加工头开始工作，同时形貌采集装置跟随激光加工头一起移动进行实时采集，采集过程中，控制装置通过横向滚珠丝杠实时调整采集位置，当前层熔覆完成之后，进入下一层熔覆之时，增材制造加工根据形貌采集装置采集的数据处理得到下一层的各熔覆数据，如此迭代，每一层熔覆之前，控制装置都会接收到上一层形貌数据处理得到的加工参数，以实时调整熔覆加工各参数。
10.根据权利要求9所述的增材构件成形过程形貌采集与控制方法，其特征在于：所述形貌采集装置采集到的形貌数据传送到上位机，在上位机的人机交互界面实时显示，同时显示当前以及下一层熔覆的激光加工参数,以及当前和下一层的形貌采集装置的测量位置信息。
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